PHA生物材料介绍

聚羟基脂肪酸酯

聚羟基脂肪酸酯(PHA，polyhydroxyalkanoates)近20多年迅速发展起来的生物高分子材料——聚羟基脂肪酸酯(PHA)，是很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料。因为PHA同时具有良好的生物相容性能?生物可降解性和塑料的热加工性能。因此同时可作为生物医用材料和生物可降解包装材料，这已经成为近年来生物材料领域最为活跃的研究热点。PHA还具有非线性光学性?压电性?气体相隔性很多高附加值性能。天然的或合成的生物可降解的高分子材料往往有很高的水蒸气透过性，这在食品保鲜中是不利的。而PHA则具有良好的气体阻隔性，使其可能应用在较长时间的鲜品保鲜包装上。因为水汽的穿透是保鲜包装中的重要指标，PHA在这一点上的性能是完全可以和现在的PET?PP等产品等相比的。另—方面，PHA还具有较好的水解稳定性，将PHA用75℃的自动洗碗机总洗20个循环，PHA制成杯的形状和分子量都没有发生变化，表明PHA可以很好地用于器具生产。此外与其它聚烯烃类?聚芳烃类聚合物比，PHA还具有很好的紫外稳定性。PHA还可作为生物可降解的环保溶剂的来源，如3-羟基丁酸乙酯EHB(ethyl3—hydroxy—butyrate)是水溶性的，聚有低挥发性，可以用于清洁剂?胶)粘剂?染料?墨水的溶剂。正因为PHA 汇集了这些优良的性能，使其可以在包装材料?粘合材料?喷涂材料和衣料?器具类材料?电子产品?耐用消费品?农业产品?自动化产品?化学介质和溶剂等领域中得到应用。(1)与PLA等生物材料相比，PHA结构多元化，通过改变菌种?给料?发酵过程可以很方便地改变PHA的组成，而组成结构多样性带来的性能多样化使其在应用中具有明显的优势。根据组成PHA分成两大类:一类是短链PHA(单体为C3-C5)，一类是中长链PHA(单体为C6-C14)，这些年已有报道菌株可合成短链与中长链共聚羟基脂肪酸酯。PHA的生产经历了第一代PHA——聚羟基丁酸酯(PHB)，第二代PHA——羟基丁酸酸共聚酯(PHBV)和第三代PHA—聚3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯（PHBHHx）的生产，而第四代PHA羟基丁酸羟基辛酸(癸酸)共聚酸[PH-BO(PHBD)]尚处于开发阶段。其中作为第三代PHA的PHBHHx是由清华大学及其合作企业实现了首次大规模生产。与传统化工塑料产品的生产过程相比较，PHA的生产是一种低能耗和低二氧化碳排放的生产，因此从生产过程到产品对于环境保护都是很有利的。(2)PHA生产的另一条可行的途径是利用转基因植物来实现。PHA在植物中的合成，可以利用光能消耗二氧化碳，成为一种可持续?可再生的材料生产方式。现在已在烟草?马铃薯?棉花?油菜?玉米?苜蓿等植物中实现了包括PHB?PHBV以及中长链PHA等不同PHA的合成。而其中在马铃薯块根中的PHA合成是最具生产前景的。目前PHA 的价格还很难和石油化工塑料相竞争，而聚丙烯的价格低于1美元/kg，而一些最便宜的生物可降解塑料的价格为3-6美元/Kg，而当今理想的PHB的生产成本为4美元/kg，随着规模的扩大，生产成本将进一步降低，但很难达到2-3美元/kg，这主要是由于细菌发酵底物成本所决定。但通过转基因植物的PHA合成，有望将PHA的成本大大降低，因为植物利用二氧化碳和太阳能生产植物油和淀粉的成本分别为0.5-1美元/kg和0.25美元/kg，另外植物中PHA的提取过程也有了较好的研究，提取成本不高于细菌中PHA的提取成本。PHA在植物中的生产将使经济作物的可再生资源使用大大地迈进，这个项目的成功可能使到2020年植物生产基本化学原料和材料中可更新资源的使用达到现在的5倍。

PHA因其良好的生物降解性和生物相容性在药物缓释体系中发挥着越来越重要的作用。最早的PHA作为药物释放包裹微球的研究是1983年对于PHB的研究，之后随着PHBV 的发展，PHA的药物包裹研究带来了很大的进展。研究表明可通过调节PHA的单体组成?分子量?药物包裹量?包裹颗粒大小实现药物的可控速率释放。此外，很多学者还利用PCL等其他聚合物与PHA进行混合包裹药物的研究也取得了一定的成果。在PHA近十年的研究热潮中，虽然在生产和应用方面的主要技术专利仍掌握在美?欧?日等发达国家和地区中，但我国这几年在这方面的研究取得了长足的进展，在生产方面掌握了一些具有自主知识产权的菌种和后期工艺，特别是近两年在组织组织工程研究方面有较好的研究成果，已有多项专利处于申请公开期，这些为PHA作为我国有自主知识产权的生物材料今后的产业化打下了良好的基础。PHA既是一种性能优良的环保生物塑料，又具有许多可调节的材料性能，其随着成本的进一步降低以及高附加值应用的开发，将成为一种成本可被市场接受的多应用领域生物材料。由于它是一个组成广泛的家族，其从坚硬到高弹性的性能使其可以适用于不同的应用需要。PHA的结构多样化以及性能的可变性使其成为生物材料中重要的一员。相对于PLA，PHA 发展的历史很短，发展的潜力更大，其应用的空间也更大。

植物血凝素

植物血凝素（phytohaemagglutinin,PHA），是一种有丝分裂原，主要用于激活免疫细胞――淋巴细胞，是利用国际先进的超低温冷冻技术从红芸豆中提取的一种物质。由于其较难提纯，且成本极高，因此一直以来仅在实验室中作为刺激淋巴细胞增殖的试剂。一、主要成分植物血凝素的主要成分为植物多肽，是一种低聚糖(由D－甘露糖、氨基酸葡萄糖酸衍生物构成)与蛋白质的复合物。

二、药理作用 1.植物血凝素为广谱抗病毒药，可刺激T淋巴细胞增殖分化产生大量效应T细胞和细胞毒T细胞，效应T细胞分泌产生大量细胞因子（如干扰素等）杀伤病毒，细胞毒T细胞可直接杀伤病毒。 2.植物血凝素可同时刺激B 细胞转化为浆母细胞后增殖分化为浆细胞，浆细胞产生大量非特异性抗体来中和病毒。 3.可增强机体免疫功能，提高骨髓造血机能，促进机体白细胞及多核白细胞数量明显增加；提高机体细胞诱生干扰素，增强机体免疫力，促进抗体形成，增强机体对病原微生物的吞噬作用。 4.植物血凝素与黄芪多糖、左旋咪唑、阿糖腺苷配伍，有明显的增效作用；与部分抗生素等配伍具有相加作用。 5.植物血凝素肌肉注射后约5~15分钟血药浓度达高峰，口服约1小时后血药浓度达高峰，代谢产物主要从尿液排出。三、特点 1.使用方便、广泛，可以与许多药物同时使用，具有协同作用或相加作用。在粉、散剂中添加植物血凝素，具有明显提高原有产品疗效的作用，同时不干扰原产品的检测，且无种属特异性，可广泛应用于家禽、猪、牛等动物。 2.使用安全，首先使用植物血凝素后不影响机体抗体水平，可用于预防肉仔鸡后期常发的病毒性疾病，避免了由于加强免疫引起的抗体水平过高、疫苗应激反应、药残严重，影响家禽产品出口。其次植物血凝素抗病毒谱广、毒性小、安全范围大。 3.可以与疫苗同时使用，能起到弥补免疫空白期、减缓疫苗应激反应、增强免疫效果的作用。 4.植物血凝素经特殊加工可口服给药，不受消化酶和胃酸的破坏，可常温保存两年（液体保存时一般6个月左右就开始出现浑浊现象，降低疗效）。避免了一般干扰素质量不稳定、应用时口服吸收差、易被破坏，必须低温保存的缺陷。四、作用 1.主要用

于激活免疫细胞――淋巴细胞，是一种干扰素诱导剂，不仅可以刺激机体产生白细胞介素-2和干扰素，还可以刺激机体产生非特异性抗体。 2.广谱抗病毒药，可用于防制家禽、家畜病毒性疾病，如鸡的传染性支气管炎、传染性喉气管炎、新城疫、传染性法氏囊病、鸡痘；鸭瘟、鸭病毒性肝炎；猪圆环病毒病、猪繁殖与呼吸综合征、猪传染性胃肠炎、猪病毒性腹泻、猪繁殖与呼吸综合征、非典型猪瘟；犬、水貂的犬瘟热、犬细小病毒等病毒性疾病。 3.植物血凝素可作为动物免疫增强剂进行治疗、辅助用药或用于免疫功能受损引起的疾病，用来增强动物机体免疫力、提高药物的疗效。五、临床应用用于预防肉鸡常见病毒病，30日龄左右使用1~2次，可预防或减轻肉鸡后期病毒性疾病的发生；用于预防仔猪断奶前后病毒性疾病，与强力霉素、头孢类抗生素等合用，可避免仔猪在断奶后因母乳抗体丧失而导致的免疫力下降或造成大面积发病和死亡；植物血凝素+抗病毒药物+广谱抗生素可用于防制鸡病毒性疾病（如非典型新城疫、温和型禽流感、传染性法氏囊病初期、各型传染性支气管炎、鸡痘、传染性喉气管炎），急性病毒病慎用；配合头孢类抗生素，每月对健康蛋鸡进行一次预防，可有效防止蛋鸡发生病毒性疾病；植物血凝素配合法氏囊抗体、庆大霉素或丁胺卡那可用于防制急慢性传染性法氏囊病；配合呼吸道药物应用可用于防制家禽传染性支气管炎、传染性喉气管炎等由病毒引起的呼吸道系统疾病；与鸭病毒性肝炎血清或黄芪多糖配合应用可用于防制鸭病毒性肝炎；与黄芪多糖和丁胺卡那配合应用，可用于防制鸭瘟。

聚羟基脂肪酸

在微生物细胞，特别是细菌细胞中，大量地存在着一种高分子聚酯─聚羟基脂肪酸（Polyhydroxyalkanoates，简称PHA）。目前已经发现PHA聚酯有至少125种不同的单体结构，并且新的单体被不断地发现出来。由微生物合成的PHA有一些特殊的性能，包括生物可降解性、生物相容性、压电性和光学活性等。另外，根据单体结构或含量的不同，PHA的性能可从坚硬到柔软到弹性变化。PHA有许多潜在的应用前景，国内外都对其进行大量的基础和应用开发研究。最近，清华大学领先在国内外成功地实现了一种性能优良的PHA─3-羟基丁酸和3-羟基己酸的共聚物PHBHHx的工业化生产，为开发这种新型材料的应用提供了原料基础。PHA家族中由于单聚物、共聚物及共混物种类的众多。同时有具备了多种多样的性能，原则上，PHA能够满足多种人体组织器官的需求，如：心血管系统、角膜胰腺、胃肠系统、肾脏、泌尿生殖系统、肌肉骨骼各系统、神经系统、牙齿与口腔、皮肤等等。目前已经商品化的PHA产品主要有PHB、PHBV 和PHBHHx。已经实现工业化生产的PHA目前只有PHB以及羟基丁酸与羟基戊酸的共聚物PHBV，分别由奥地利林茨化学公司(Chemie Linz AG)和英国帝国化学工业公司(ICI，现在称为Zeneca)在八十年代实现。从1998年以来，清华大学微生物实验室与广东江门生物技术开发中心合作，在国内外首次开发成功了羟基丁酸与羟基己酸的共聚物PHBHHx的工业化生产技术，为这种新型材料的应用开发打下了物质基础。对于PHA聚合物的生物相容性的研究，主要针对于PHB和PHBV两种聚合物，早期的研究表明，当将这两种聚合物植入体内时，可以引起长时间的急性及慢性免疫反应。以PHB三维泡沫材料作为软骨细胞载体材料，在体外培养过程中，细胞在材料上保持了正常的形态，附着生长迅速，同时分泌软骨特有基质成分，并在动物体内进一步成功和培养出具有三维立

体形态及组织学特征良好的新生软骨组织，并且体内移植未见明显免疫排斥反应，另外其材料孔隙率较高，孔径大小适合细胞长入，孔度均匀，具有良好的生物降解性，体内完全降解的时间在三个月左右。但PHBV共聚物还存在机械性能差、细胞结合力弱等问题。为改善这些缺点，有人将可溶性磷酸盐玻璃、HA、磷酸三钙(TCP)等与PHBV组成复合物。可溶性磷酸盐玻璃虽然有助于提高机械强度，但其光滑表面不利于与PHBV的物理结合，且早期溶解率高，释放出大量Na+、P5+和Ca2+，引起较强的组织反应，软组织增生，而新骨生长被抑制。HA可以提供粗糙表面，有利于PHBV与之结合，且HA还具有良好的骨结合力，有利于新骨组织长入，但存在降解难的问题。相比之下，TCP具有较好的生物降解及良好的骨结合力，用TCP作为PHBV的添加剂既有效地增加了机械强度，又提高了骨结合力，对PHBV的降解影响较小。近年来，一种新型的PHA，聚羟基丁酸己酸酯（PHBHHx）因其良好的物理性能引起了广泛的关注。清华大学微生物实验室发现PHBHHx与PHB在无定形态和结晶态都完全相容，并开发了PHB/PHBHHx共混体系作为新型的组织工程材料。他们的研究表明PHBHHx/PHB共混体系呈现比传统组织工程材料PLA更好的生物相容性，其中PHBHHx的生物相容性比PHB更优越。培养在PHBHHx/PHB共混支架上的软骨细胞不但能够生长、增殖，而且保持了正确的分化形态，胞外基质(ECM)中发现大量磷酸钙盐生成，其成分为天然骨及软骨中的主要无机成分羟基磷灰石(HAp)，表明培养在PHBHHx/PHB三维支架上的软骨细胞保持了其正常的生理功能。进一步的研究表明PHBHHx是通过对PHB结晶行为的影响而使共混体系的生物相容性有所提高的。研究中还发现用脂肪酶进行表面处理可以极大增强PHBHHx/PHB体系的生物相容性。PHA研究的前景展望PHA的生物相容性和生物降解性使其可以作为体内植入材料包括组织工程材料和药物控制释放载体等。这种特性也可用于农业上包裹肥料或农药的载体，使被包裹的物质在PHA缓慢降解的过程中缓慢释放出来，从而保持长期的肥效或药效，同时减少用药量，延长作用时间，保护耕地的长期可种植性。构成PHA的单体都具有手性，它们是许多药物化学合成的的中间体，有高附加值应用。通过体内合成PHA 和体内降解PHA的方法，可以得到许多不同的手性单体。随着菌种筛选手段的进一步发展，越来越多的能合成新型PHA的菌种被发现了，从而新的PHA 材料也不断地被合成出来。但是，目前对PHA微生物合成的工艺改进远远落后与PHA新材料的开发。生物材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物材料提出问题和指明发展方向。由于传统的人工器官（如人工肾、肝）不具备生物功能（代谢、合成），只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要三个要素，即"种子"细胞、支架材料、细胞生长因子。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作"种子"细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展现出美好的应用前景。用生物技术与化学合成方法相结合，可以得到一些单纯用化学或生物的方法无法得到的或用化学合成制造成本过高的新材料，特别是一些具有特殊性能的材料，如生物相容性、生物降解性、光学活性、压电性、导电性和材料的高稳定性等。这些新材料的研究开发，需要材料、高分子、化学、医学、电子、物理、微生物、分子生物学、发酵工程和化学工程领域的专家相互合作，甚至需要工业界的参与，才能产生效果，得到真正有市场应用前景的新材料。我国目前开展这种对新材料的开发展开

的多学科的协同研究还很少。清华大学在“九五”期间，对生物材料聚羟基脂肪酸PHA的微生物合成、发酵生产、高分子性能的研究和应用开发做了多学科协同攻关的很好尝试：由生物、化工、材料、化学和高分子学科组成的攻关队伍经过五年的努力，开发成功了工业化生产新型PHA─3-羟基丁酸和3-羟基己酸的共聚物PHBHHx的技术，并发现了PHBHHx具有比聚羟基丁酸PHB和聚乳酸PLA 更好的机械性能和生物相容性，在生物材料和组织工程应用方面有很好的发展前景。未来新材料的开发，需要开发的终端，特别是工业界提出对材料的要求，生物医学材料是材料科学与工程的重要分支，其最大特点是学科交叉广泛、应用潜力巨大、挑战性强。随着新材料、新技术、新应用的不断涌现，吸引了许多科学家投入这一领域的研究，成为当今材料学研究最活跃的领域之一。在我国，生物医学材料的研究虽然取得一些令人瞩目的成果，但整体水平不高，跟踪研究多，源头创新少。在产业化方面，我国生物医学材料及其制品占世界市场的份额不足2%，主要依靠进口，产品技术结构和水平基本上处于初级阶段。面对世界生物医学材料研究大发展的浪潮，对于中国这样一个大国，大力发展生物医学材料研究是必须迎接的挑战，也是一次机遇。